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在原子尺度上跟蹤晶界滑動取得新突破

晶界（GB）是分離不同晶體取向的晶粒的界面。當相鄰的兩個晶粒發(fā)生平行于邊界面的相對位移時，GB 發(fā)生滑動。近年來，GB 滑動在納米晶金屬的塑性變形和晶粒尺寸穩(wěn)定研究中受到了廣泛的關(guān)注。雖然利用各種原位和非原位試驗技術(shù)對GB 介導(dǎo)的變形進行了研究，但GB 滑移所采用的原子尺度過程仍不清楚，這主要是因為缺乏直接的高分辨率試驗觀測。

在過去的幾年中，原位原子分辨試驗取得了迅速的進展。然而，與一般GB 變形相關(guān)的原子尺度過程還沒有明確的解決，主要是因為在GB 變形過程中跟蹤原子運動是極其困難的。

鑒于此，北京工業(yè)大學(xué)韓曉東教授、佐治亞理工學(xué)院朱廷教授和浙江大學(xué)張澤院士合作使用像差校正的原位電子顯微鏡觀察在應(yīng)變過程中的鉑晶界，以揭示在鉑雙晶中的一般傾斜GB 中如何實現(xiàn)滑動主導(dǎo)變形。他們觀察到沿GB 的直接原子尺度滑動或在邊界平面上的原子轉(zhuǎn)移滑動。后一種滑動過程是由使GB 原子能夠傳輸?shù)臄嚅_運動介導(dǎo)的，導(dǎo)致以前無法識別的耦合GB 滑動和原子平面轉(zhuǎn)移的模式。這些結(jié)果使人們能夠在原子尺度上理解一般GBs 如何在多晶材料中滑動。

該研究結(jié)果清楚地顯示了一般GB 在低溫下是如何滑動的，并且沒有（或很少）伴隨GB 遷移。這項工作展示了利用原位原子分辨率TEM 試驗來理解多晶材料中界面介導(dǎo)的變形和失效機制的巨大潛力，并為試驗和原子建模之間的高分辨率聯(lián)合提供了新的機會。

相關(guān)研究成果以Tracking the sliding of grain boundaries at the atomic scale為題發(fā)表在Science上。

（本刊記者 雪松）

航空工業(yè)亮相首屆世界防務(wù)展

2022年3月6～9日，首屆世界防務(wù)展在沙特首都利雅得舉辦。中航技代表中國航空工業(yè)，作為中國國家國防科技工業(yè)局組織的“中國軍工”國家展團的航空板塊，攜多型高新航空產(chǎn)品及解決方案精彩亮相，是規(guī)模最大的國家展團之一。

中航技的展品主要涵蓋戰(zhàn)斗機、運輸機、無人機等高端裝備，包括“鶻鷹”戰(zhàn)斗機、運9E 運輸機、“翼龍”-2 無人機及先進航空研發(fā)制造中心沙盤、外置式火控掛架系統(tǒng)，并展出AR-36 無人機、Vespa“虎頭蜂”垂直起降無人機及其他小型無人機系統(tǒng)。先進的戰(zhàn)斗機、運輸機、無人機及機載武器系統(tǒng)展現(xiàn)了中國航空工業(yè)的發(fā)展成就。集設(shè)計研發(fā)、試驗驗證、零件制造、總裝集成、調(diào)試試飛以及綜合保障等能力為一體的先進航空研發(fā)制造基地沙盤則直觀地展示了航空制造全價值鏈的核心要素，勾畫了建設(shè)本地化航空工業(yè)能力和培養(yǎng)本地化人才的藍圖。

本屆世界防務(wù)展由沙特軍事工業(yè)總局主辦，沙特國防部、內(nèi)政部、國民衛(wèi)隊等部門協(xié)辦，是沙特舉辦的首屆國際性綜合防務(wù)展會，致力于使沙特成為未來防務(wù)貿(mào)易和創(chuàng)新的理想樞紐。

據(jù)主辦方介紹，本屆世界防務(wù)展共吸引沙特本地及全球超過45 個國家的600 余家參展商參展，超過3 萬專業(yè)觀眾參觀。

（本刊記者 雪松）

增材制造雙相鈦合金的變體選擇行為研究

近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)S.L. Lu等人對增材制造的雙相鈦合金的變體選擇展開了研究，結(jié)果表明在增材制造雙相鈦合金中的柱狀β晶粒和等軸β 晶粒內(nèi)部展現(xiàn)出完全不同的變體選擇行為，對合金的力學(xué)性能和變形行為具有顯著影響，相關(guān)論文以Variant selection in additively manufactured alpha-beta titanium alloys為題發(fā)表于Journal of Materials Science & Technology。

雙相鈦合金(α+β)由于其強度高、耐熱性好、綜合力學(xué)性能好，在增材制造領(lǐng)域中占有很大的比重。對于傳統(tǒng)的雙相鈦合金Ti-6Al-4V 和Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，增材制造后的樣品通常展現(xiàn)出明顯的β 柱狀組織。由于成形過程中利于生產(chǎn)的熱梯度的影響，這種β 柱狀晶粒通常具有<001>方向平行于構(gòu)建方向BD 的織構(gòu)，并在隨后相變過程中會導(dǎo)致α 相的<0001>方向與水平面成0°或45°左右，最終對合金的力學(xué)性能和變形行為產(chǎn)生顯著影響。由于β 相向α 相轉(zhuǎn)變過程存在伯格斯位向關(guān)系，單一β 相可以隨機轉(zhuǎn)化為12種不同的α變體。顯然，增材制造過程中，α 變體的產(chǎn)生并不是隨機的，即發(fā)生了明顯的變體選擇。

本研究通過調(diào)節(jié)激光金屬粉末沉積（LMD）工藝參數(shù)分別合成了具有柱狀β 晶粒和等軸β 晶粒的Ti-6Al-4V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 和Ti-4Al-2V 雙相鈦合金，對具有不同β 晶粒形貌的增材制造雙相鈦合金的變體選擇行為展開了研究?？偟膩碚f，具有不同β 晶粒形貌的雙相鈦合金（等軸和柱狀）合金內(nèi)部展現(xiàn)出截然不同的變體選擇行為，從而顯著影響了兩種微觀組織的變形行為和力學(xué)性能。實現(xiàn)β 晶粒形貌和α 變體選擇的有效調(diào)控，將有助于獲得力學(xué)性能優(yōu)異的增材制造雙相鈦合金。

（本刊記者 雪松）

蘇州納米所提出微凝膠輔助懸浮3D打印氣凝膠通用策略

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張學(xué)同團隊提出了一種通用的微凝膠輔助懸浮打?。∕SP）策略，用于按需構(gòu)筑各種具有任意立體結(jié)構(gòu)的介孔氣凝膠。作為概念證明，研究采用去質(zhì)子化的凱夫拉納米纖維（KNF）分散液為墨水，選用合理設(shè)計的微凝膠作為輔助基質(zhì)，通過基于擠出的3D 打印技術(shù)，將KNF 墨水按預(yù)先設(shè)定的結(jié)構(gòu)逐層沉積到微凝膠基質(zhì)中，經(jīng)基質(zhì)去除、溶劑交換和超臨界CO2干燥，獲得了由隨機纏結(jié)納米纖維組成的3D 打印Kevlar 氣凝膠（3D-KA）。

研究發(fā)現(xiàn)，通過MSP策略，KNF 墨水在高速打印模式下展示了優(yōu)異的可打印性和可編程性，可制備出具有任意空間結(jié)構(gòu)的Kevlar 結(jié)構(gòu)，如各種線條圖案和體型結(jié)構(gòu)。

為驗證基于MSP 策略制備的凱夫拉氣凝膠的實際應(yīng)用，研究人員通過合理的工程設(shè)計定制了Kevlar 氣凝膠絕熱組件（3D-KAI）。由于氣凝膠固有的隔熱性能和Kevlar的極端耐高低溫特性，該3D-KAI 顯示出優(yōu)異的低溫防護性能，在-30℃下，安裝有定制3D-KAI 的無人機電池（D-LIPO）放電容量為2217mAh，比未安裝3D-KAI 的D-LIPO高26%（放電容量為1761 mAh），這表明電池可以得到有效保護，以確保其在惡劣環(huán)境下的正常放電。由MSP 策略定制的3D-KAI 可以準確復(fù)制實際設(shè)備的多尺度架構(gòu)，并解決電池在低溫下運行時容量下降的問題，可擴展到氣凝膠在其他隔熱保溫環(huán)境的應(yīng)用。

相關(guān)成果以General suspended printing strategy toward programmatically spatial Kevlar aerogels為題發(fā)表在ACS Nano上。

（本刊記者 雪松）

非晶合金領(lǐng)域取得重要進展

固液界面在工業(yè)加工中是普遍存在的，通過影響結(jié)晶相的形核和生長，控制著凝固材料的組織演變、缺陷的產(chǎn)生以及最終的性能。固液界面對形核和生長的影響常從其熱力學(xué)（即界面自由能γ0）的角度進行討論，在鑄造和焊接中通過添加孕育劑或微量元素以獲得理想的晶粒結(jié)構(gòu)。另一方面，對界面結(jié)構(gòu)經(jīng)常從晶體生長動力學(xué)方面進行研究。通過過冷熔體的均質(zhì)形核等技術(shù)可以確定固液界面γ0。即便有了對固液界面的理解，但對合金固液界面熱力學(xué)和動力學(xué)的認識還遠遠不夠。最近，來自德國和加拿大的科研人員研究發(fā)現(xiàn)了獨特原子結(jié)構(gòu)，表明層錯和負溫度依賴性界面自由能之間有很強的相關(guān)性，這可能是Al-Sm 和Cu-Zr 均為非晶形成系統(tǒng)的一個關(guān)鍵特征，目前尚不清楚這種異常依賴性是否可以擴展到其他非晶系統(tǒng)中。

該研究利用分子動力學(xué)模擬等方法，計算了Cu-Zr 體系中B2-液相界面的γ0，得到了Lennard-Jones 模型 B2-液態(tài)合金的溫度依賴性，提出了獨特的界面結(jié)構(gòu)和非典型的溫度依賴性是易形成非晶合金的標志。相關(guān)論文以Layering misalignment and negative temperature dependence of interfacial free energy of B2-liquid interfaces in a glass forming system為題發(fā)表在Acta Materialia上。

研究發(fā)現(xiàn)當B2 相保持化學(xué)計量成分/結(jié)構(gòu)時，B2-液相界面的界面自由能具有負的溫度依賴性。對于純金屬，固液界面γ0的溫度依賴性是正的。對合金而言，固液相平衡成分隨溫度的變化沿液相線/固相線變化。因此，γ0不僅依賴于溫度和過剩熵，還依賴于溶質(zhì)原子的過剩比例和化學(xué)勢。分子動力學(xué)模擬表明，在固-液界面附近溶質(zhì)種類的數(shù)量密度峰可能存在負γ0依賴關(guān)系。

本研究用原子模擬的方法研究了Cu-Zr 和Lennard-Jones 體系中的B2-液相界面。證實在稀Al-Sm 和Cu-Zr 合金中觀察到的層錯與界面自由能對溫度的負相關(guān)性之間的關(guān)聯(lián)可以擴展到高濃度成分和具有fcc 以外晶體結(jié)構(gòu)的固相。此外，只有當B2 相保持等原子組成以及在Al-Sm 和Cu-Zr 中的小溶解度時，才會發(fā)生配錯和負依賴性。本研究為非晶合金的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

（本刊記者 雪松）

納米沉淀相調(diào)控獲得高性能增材制造形狀記憶合金

控制金屬材料基體中沉淀相的尺寸和分布是調(diào)控其力學(xué)性能的重要方法之一。對于TiNi 合金而言，其中的Ti2Ni 沉淀相的形成與分布顯著影響其形狀記憶和力學(xué)性能。增材制造逐道逐層熔化和凝固金屬粉末的非平衡凝固特點，決定了其獨特的沉淀相析出行為。尤其，TiNi形狀記憶合金的沉淀相析出行為對合金成分和凝固條件非常敏感。因此，增材制造TiNi 形狀記憶合金的熱處理工藝與組織性能關(guān)系，是一個亟待明晰的科學(xué)問題。

為獲得高性能選區(qū)激光熔化（SLM）TiNi 合金，華南理工大學(xué)的研究人員對SLM 制備的TiNi 合金進行了3種不同的熱處理，以調(diào)控SLM TiNi 合金中Ti2Ni 沉淀相的尺寸和分布，研究了SLM 制備富Ti的TiNi 合金中納米Ti2Ni沉淀相的分布與尺寸演化規(guī)律，揭示了納米Ti2Ni 相的分布與尺寸同其力學(xué)和形狀記憶性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

通過設(shè)定的熱處理工藝使得富Ti 的TiNi 合金基體中納米Ti2Ni 沉淀相均勻化，具有均勻分布納米Ti2Ni 沉淀相的TiNi 合金具有優(yōu)異的拉伸性能（拉伸強度為(880±13) MPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?2.4%±0.4%），相對先前的文獻報道結(jié)果，實現(xiàn)了SLM TiNi 合金強度和塑性的同時提高；同時，納米Ti2Ni 沉淀相均勻化的TiNi 合金具有良好的形狀記憶性能，其拉伸可回復(fù)應(yīng)變?yōu)?.32%，回復(fù)率高達98.2%。

該研究得到了力學(xué)性能和形狀記憶性能同步提升的TiNi 合金，后續(xù)研究需要聚焦于SLM 制備TiNi 合金的功能疲勞和結(jié)構(gòu)疲勞特性，以加快其工業(yè)化應(yīng)用進程。

左圖為不同熱處理條件下SLM TiNi 合金的組織演變示意圖。

（本刊記者 雪松）

沈陽自動化所在陶瓷增材制造技術(shù)領(lǐng)域取得新進展

近日，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所提出了一種光固化數(shù)學(xué)模型，用于分析研究立體光刻（SLA）零件的成型質(zhì)量；發(fā)現(xiàn)前驅(qū)體陶瓷漿料在增材制造過程中存在固化缺陷，并提出了改善方法。該研究成果發(fā)表于Journal of the European Ceramic Society。

陶瓷作為材料界的新秀，其中的結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷廣泛應(yīng)用于航空航天、電子科技和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。增材制造技術(shù)使得陶瓷產(chǎn)品多樣化、復(fù)雜化、多功能化和高性能化，但是增材制造過程中的光固化缺陷是影響最終產(chǎn)品的關(guān)鍵因素。以往的研究僅是局限于材料與激光之間的相互作用，而整體光固化的固化區(qū)域布局和缺陷分布規(guī)律未曾被研究，其中牽涉到的陶瓷漿料的單點光固化數(shù)學(xué)模型更沒有被提出。

沈陽自動化所工藝裝備與智能機器人研究室提出一種光固化數(shù)學(xué)模型，用于分析在不同點搭接率、線搭接率和面搭接率下，零件整體光固化中不同固化質(zhì)量布局和缺陷形成規(guī)律；通過試驗驗證的方法，進一步提出結(jié)合漿料參數(shù)與設(shè)備參數(shù)相匹配的方法，從而改善陶瓷增材制造過程中的缺陷問題。

目前，沈陽自動化所擁有了國內(nèi)先進的陶瓷增材制造能力，具備高精度成型的立體光刻工藝、材料熱重分析儀器、溫控精準的1700℃高溫電爐和真空脫脂爐等設(shè)備，能夠形成一條基于數(shù)字光固化成型的陶瓷產(chǎn)品制備的工藝鏈，自主研發(fā)和設(shè)計不同復(fù)雜形狀的陶瓷零件。

左圖為多孔且具備復(fù)雜和簡單結(jié)構(gòu)的氧化鋁陶瓷。

（本刊記者 雪松）

高通量粉末X 射線衍射技術(shù)領(lǐng)域取得新進展

近日，南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系講席教授項曉東團隊在材料結(jié)構(gòu)和成分的高通量表征領(lǐng)域取得重要進展，相關(guān)成果以High-throughput powder diffraction using white X-ray beam and a simulated energydispersive array detector為題發(fā)表在《中國工程科學(xué)》英文版。

快速獲得材料基因圖譜中結(jié)構(gòu)和成分的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)一直是高通量表征技術(shù)的瓶頸。為了解決這一難題，必須大幅提高現(xiàn)有的X 射線衍射和熒光試驗的表征效率。

目前，雖然高通量制備技術(shù)已日臻成熟，然而實時、原位、微區(qū)的高通量結(jié)構(gòu)和成分表征技術(shù)的缺失制約了材料大數(shù)據(jù)庫的建立和完善。

該研究工作不僅驗證了白光X 射線能散面探衍射技術(shù)的可行性，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和組分的高通量表征，也是對現(xiàn)有的普通面探測器衍射技術(shù)、多點能散衍射技術(shù)的一個巨大突破，拓展了這兩種技術(shù)在能量和空間上的維度，為超快超高分辨XRD 技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，將進一步推動材料科學(xué)邁入以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的科學(xué)第四范式。

（本刊記者 雪松）